Опыт производства рельсов из бейнитной стали марок 30ХГ2С2АФМ и 30ХГ2САФН

Введение

Срок службы железнодорожных рельсов, как известно [1 – 3], определяется большим количеством технологических факторов и эксплуатационных свойств. Среди последних наиболее важными (по количеству изъятий дефектных и остродефектных рельсов) являются стойкость рельсового металла к развитию дефектов контактной усталости и износостойкость. Они, в свою очередь, во многом зависят от технологических параметров (химического состава, структуры, механических свойств рельсовой стали, загрязненности неметаллическими включениями, уровнем и распределением остаточных напряжений).

Традиционно [4] рельсовые стали содержат большое количество углерода (0,6 – 0,8 мас. %) и являются перлитными. Повышение износостойкости перлитных сталей достигается оптимизацией химического состава и режимов термической обработки, при которых обеспечивается уменьшение межпластинчатого расстояния цементитных пластин в пределах перлитной колонии, за счет чего повышаются прочностные, пластические свойства и твердость.

В структуре современных рельсов из сталей перлитного класса межпластинчатое расстояние приближается к своему предельному значению [5], теоретически оцениваемому на уровне 0,06 – 0,07 мкм. В связи с этим пути дальнейшего повышения эксплуатационной стойкости рельсов из сталей перлитного класса исчерпаны. Предполагается переход на производство рельсов из сталей бейнитного класса, отличающихся более дисперсным строением и, следовательно, более высокими механическими свойствами и стойкостью к образованию контактно-усталостных дефектов (КУД).

В конце 1990 – начале 2000-х годов институтами и предприятиями металлургической промышленности при поддержке железных дорог Западной Европы и США было создано несколько опытных марок бейнитной стали, пригодной для изготовления термообработанных рельсов [6 – 10].

Первые результаты эксплуатационных испытаний горячекатаных рельсов из стали В360 на перегоне вблизи станции Фрик (Швейцария) (1999 г.) свидетельствуют, что рельсы из бейнитной стали действительно обладают повышенной сопротивляемостью к возникновению и развитию контактно-усталостных дефектов [8].

Однако рельсы из бейнитной стали некоторых марок характеризуются более интенсивным износом, чем широко применяемые в настоящее время термообработанные рельсы из стали перлитного класса. По данным работ исследовательского центра материалов и обработки (Корпорация NKK, Япония), износостойкость перлитных сталей определяется в основном твердостью и микроструктурными параметрами. В работах [10; 11] сделан вывод, что хорошая стойкость бейнитных рельсов к повреждениям КУД объясняется удалением поврежденного слоя вблизи поверхности контакта в результате износа (так называемый «эффект волшебного шлифования»).

Это говорит о том, что, прежде чем стать реальной альтернативой термообработанным перлитным рельсам, бейнитные рельсы должны пройти дополнительные исследования [7].

Материалы и результаты исследований

В проведенных АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» (ЕВРАЗ ЗСМК) в 2004 – 2006 гг. исследованиях установлено, что в рельсах из среднеуглеродистой стали, легированной хромом, молибденом, никелем и ванадием, возможно получение микроструктуры нижнего бейнита, которая применяется для ответственных изделий с высокой конструктивной прочностью [12; 13]. Результаты исследований опытных рельсов после прокатки, нормализации и отпуска показали перспективность применения такой стали и возможность обеспечения одновременно повышенных износостойкости и низкотемпературной надежности. Полигонные испытания опытной партии бейнитных рельсов производства АО «Новокузнецкий металлургический комбинат» из стали марки Э30ХГ2САФМ в 2005 г. показали перспективность их применения при дальнейшем повышении чистоты стали по неметаллическим включениям. Однако в тот период комбинат не располагал в полной мере возможностями обеспечения высокого металлургического качества стали и прокатки на современном оборудовании. В связи с растущими требованиями к рельсам, которые эксплуатируются в особо тяжелых условиях Восточного полигона с преобладанием экстремально низких температур, необходимо (с учетом современных возможностей модернизированного рельсового производства) разработать химический состав стали бейнитного класса и определить схему производства рельсов из нее.

В 2022 г. на АО «ЕВРАЗ ЗСМК» возобновлена разработка технологии производства рельсов из бейнитной стали со свойствами, отвечающими современным условиям эксплуатации. Проведена выплавка двух опытных плавок усовершенствованного химического состава. Прокатка осуществлена в условиях рельсобалочного цеха по схеме, используемой на комбинате, с применением универсального стана тандем и отдельно стоящей чистовой клети. Полное охлаждение опытных раскатов проводили на холодильнике пакетом, на спокойном воздухе без принудительной конвекции.

Проведены испытания двух среднеуглеродистых сталей, условно замаркированных Б1 и Б2. Сталь марки Б1 отличается повышенным содержанием молибдена и кремния, сталь марки Б2 – повышенным содержанием хрома и никеля (табл. 1). Для сравнения также приведен химический состав бейнитной стали марки Э30ХГ2САФМ, выплавленной в 2004 г. [13].

Химические составы опытных марок сталей имеют достаточно существенные отличия между собой по содержанию кремния, хрома, никеля и молибдена. При этом сталь марки Б1 отличается от стали Э30ХГ2САФМ более высоким содержанием кремния, а также несколько повышенной концентрацией хрома и молибдена.

Для определения механических свойств рельсов проводили испытания на растяжение (цилиндрические образцы диаметром 6 мм с расчетной длиной 30 мм (тип III, ГОСТ 1497 – 84)), на ударный изгиб при +20 и –60 °С (ударные образцы на ударную вязкость с U-образным надрезом по I типу (ГОСТ 9454 – 78)). Твердость измеряли на поверхности катания и по сечению рельса.

Результаты механических испытаний (табл. 2) показывают, что рельсы из стали марки Б2, по сравнению с рельсами из стали марки Б1, обладают более высокими прочностными свойствами (предел текучести выше на 20 %, временное сопротивление – на 9,2 %), но более низким относительным удлинением (ниже на 27 %) при близких значениях относительного сужения.

При испытаниях при температуре +20 °С значения ударной вязкости этих двух марок сталей достаточно близки между собой, а при температуре –60 °С на стали марки Б2 получены более высокие значения (выше на 48 %). По результатам испытаний можно сделать вывод о положительном влиянии никеля на ударную вязкость при отрицательной температуре.

В отличие от рельсов из стали марки Э30ХГ2САФМ, рельсы из стали марки Б1 обладают более высокими прочностными свойствами (σ_т выше на 9,6 %, σ_в выше на 10,1 %), но при этом несколько пониженным (на 9,4 %) относительным удлинением при близких значениях относительного сужения. Следует отметить, что ударная вязкость рельсов из стали марки Б1 значительно выше, чем у рельсов из стали марки Э30ХГ2САФМ, что связано с более высокими чистотой стали по примесным элементам, неметаллическим включениям и степенью проработки структуры на универсальном рельсопрокатном стане.

Результаты измерения твердости по сечению опытных рельсов представлены в табл. 3.

Рельсы из стали марки Б2 обладают в целом более высокой твердостью по сравнению с металлом рельсов из стали марки Б1, что связано с различной степенью легирования. Также стоит отметить достаточно высокую твердость в перьях подошвы рельсов из обеих марок сталей, что связано с повышенной скоростью охлаждения данных участков профиля ввиду более тонкого их сечения. Аналогичная разность по твердости наблюдалась и при испытаниях рельсов из стали марки Э30ХГ2САФМ.

Исследования микроструктуры на оптическом микроскопе Olympus GX71 показали, что в металле головки рельса из стали Б2 присутствуют участки структурной неоднородности, вызванной неравномерностью пластической деформации при прокатке, в виде чередующихся зон, обогащенных углеродом, с зонами, обедненными углеродом. В связи с этим при охлаждении рельсов с прокатного нагрева в участках, обогащенных углеродом, произошло мартенситное превращение, а в участках, обедненных углеродом, – образовался бейнит (рис. 1). Комплекс механических свойств (высокие прочность, пластичность и вязкость) обусловлен образованием данной смешанной структуры. По мере увеличения глубины от поверхности выкружки доля бейнитной составляющей в структуре увеличивается, что связано с различными скоростями охлаждения по сечению головки.

Микроструктура подошвы рельса из стали Б2 у ее основания и перьев преимущественно состоит из мартенсита (рис. 2). Образование мартенситной структуры обусловлено повышенной скоростью охлаждения данного участка профиля в условиях спокойного воздуха ввиду более тонкого сечения по сравнению с головкой.

Микроструктура металла головки рельса из стали марки Б1 показана на рис. 3. Вблизи поверхности выкружки частично наблюдается обезуглероженный слой, видны мелкие зерна полигонального феррита. Структура преимущественно состоит из нижнего бейнита, имеющего игольчатое строение. По мере удаления от поверхности в структуре появляются участки верхнего бейнита, имеющего перистое строение из чередующихся разорванных пластин феррита и цементита. На глубине свыше 20 мм структура практически полностью представлена верхним бейнитом.

Микроструктура металла подошвы и перьев представлена на рис. 4. В структуре металла подошвы присутствуют нижний и верхний бейнит (рис. 4, а), в структуре перьев – нижний бейнит с участками мартенсита (рис. 4, б).

Согласно данным работ [14 – 17] для рельсов из сталей бейнитного класса наиболее благоприятной считается сталь со смешанной структурой из нижнего бейнита и реечного мартенсита. Это объясняется тем, что при превращении аустенита в нижний бейнит остаточный аустенит разделяется рейками нижнего бейнита на тонкие сегменты. При последующем мартенситном превращении внутри этих тонких сегментов формируется очень тонкая структура реечного мартенсита, а чем дисперснее структура, тем выше прочность и вязкость стали. Такие стали имеют высокие пластичность и вязкость разрушения. Скорость износа рельсов из таких сталей с увеличением контактных напряжений возрастает в меньшей степени, чем скорость износа рельсов из перлитных сталей [10; 17 – 19].

Результаты проведенного исследования позволяют считать, что сталь Б2 можно использовать для производства рельсов, охлажденных после прокатки на спокойном воздухе. Для повышения технологичности, в частности, улучшения условий правки и снижения микронапряжений, рекомендовано опробовать уменьшение содержания в стали углерода до 0,28 ‒ 0,30 % при сохранении содержания остальных элементов.

Выводы

Сравнительная оценка металла горячекатаных рельсов из сталей опытных составов Б1 и Б2 показала, что повышенное легирование хромом в пределах 1,2 – 1,5 % и никелем в пределах 1,0 – 1,1 % приводит к повышению предела текучести на 20 %, временного сопротивления на 9,2 % и ударной вязкости при температуре испытания –60 °С на 48 % по сравнению со схемой легирования молибденом с содержанием 0,20 – 0,30 %.

Проведена оценка микроструктуры рельсов двух опытных составов, показавшая получение игольчатых структур верхнего и нижнего бейнита, образовавшихся при непрерывном охлаждении на спокойном воздухе, в рельсах из обеих сталей, а также повышенного количества участков мартенсита в головке рельсов из стали Б2, что повлияло на получение более высоких прочностных свойств и твердости.

Для дальнейшего освоения и с целью получения более стабильной структуры, состоящей из нижнего бейнита, рекомендовано выбрать за основу сталь марки Б2 с одновременным снижением содержания углерода до 0,25 – 0,30 %.